Behavioral and molecular studies on the neurodevelopmental disorders using Shank2 and Snf7-3 knock out mice

Abstract

정신 장애 진단 및 통계 편람5판 (DSM-5)에 따르면, 신경발달장애는 우리 일생에 있어 상대적으로 이른 시기에 진행되는 발달과정에서 나타나는 어떠한 문제로 인해 학습과 기억,운동력,주의력,사회성 등 행동 및 인지적 기능의 장애를 유래하게 되는 상태를 말한다.

이러한 신경발달장애는 지적장애,자폐 범주성 장애 (ASD), 주의력 결핍 과잉행동 장애 (ADHD), 강박장애,틱장애 등 그 행동 및 정신적 증상에 따라 다양하게 세분화 되며,많은 경우에이러한 장애를 가진 환자들 사이에서 비슷한 증상들이 나타나곤 한다. 그러나 각각의 장애의 원인과 메커니즘에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않으며,하나의 장애라고 할지라도 서로 다른 다양한 메커니즘이 관여하는 것으로 보인다.

신경발달장애중에 자폐 범주성 장애는 사회성과 사회적 의사소통의 문제,반복적인 행동과 제한적인 관심사로 특정된다.이러한 자폐 범주성 장애는 전세계적으로 유병률이 높아 다양한 유전적 연구들이 이루어지고 있으며 SH3 and multiple ankyrin repeat domains protein 2 (SHANK2)유전자는 자폐 범주성 장애와 관련이 있는 유전자 중 하나로 알려져있다.실제로 각각 엑손6/7번과 7번이 제거된 (Shank2 KO e67과 Shank2KO e7), 두 종류의 Shank2유전자 결손 생쥐가 자폐행동을 보이는 것이 보고되었다.나는 이 두 생쥐로 전사체 분석을 진행하였고 흥미롭게도Shank2 KO e67생쥐에서만 γ-aminobutyric acid (GABA) A 수용체의 섭유닛α2(GABAAα2)를 인코딩하는 Gabra2라는 유전자의 발현이 줄어들고 이로 인해 억제성신경전달이 감소하는 것을 발견했다.이 때흥분성신경전달은 정상적이었으며,따라서 흥분성과억제성신경전달의 균형 (E/I balance)가 망가졌다고 볼 수 있다.나는 감소한 억제성 신경전달을 회복시켜주는 처리를 통해 Shank2 KO e67생쥐의 공간 기억 장애가 향상되는 것을 볼 수 있었고,같은 처리로 인해 Shank2 KO e7의 장애는 회복되지 않았다.

이와 더불어,endo-lysosomal 메커니즘이 신경발달 과정에 어떠한 영향을 주는지 알아보았다.흥미롭게도발달 과정상의 뉴런 컬쳐에서,endosomal sorting complexes required for transport III (ESCRT- III)를 이루는 Snf7-3라는 단백질의 발현을 감소시키자 뉴런의 수상돌기들이 증가하는 것을 볼 수 있었다.나는 이러한 현상이 신경발달장애의 증상들과 관련이 있는지 알아보기 위해 Snf7-3유전자가 모든 세포에서 결손 되거나,뇌의 흥분성 뉴런에서만 결손 되는 두 종류의 생쥐를 만들었고,이 마우스들은 ADHD의 주요 증상 중 하나인 hyperactivity를 나타냈다.뿐만 아니라 후자의 생쥐의 경우 물체의 위치에 대한 기억이 손상되는 것을 볼 수 있었다.추가로 E/I balance가 많은 신경발달 장애 모델 생쥐에서 손상되어 있기 때문에,이를 Snf7-3결손 생쥐에서도 살펴보았으며, 자동적으로 발생하는 흥분성 신경전달 빈도가 이 결손 생쥐들에서 증가해 있는 것을 확인할 수 있었다.

Neurodevelopmental disorders are defined as a group of conditions caused by developmental

deficits with onset in the relatively early period of lifetime, which produce cognitive and

behavioral abnormalities including learning, memory, locomotion, attention and social functions

according to the fifth edition of Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM-5).

They are classified into disorders such as intellectual disabilities, autism spectrum disorder (ASD),

attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), obsessive compulsive disorders and tic disorders

by specific behavioral and mental symptoms, and in many cases patients of neurodevelopmental

disorders share some symptoms. However, the causes and physiological mechanisms of each

disorder is not well understood yet, and even in one category of disorder, it seems that various

distinct mechanisms are implicated in it.

Among the neurodevelopmental disorders, ASD is characterized by deficits of sociability,

social communication, repetitive behaviors and restricted interests. Because of its high prevalence,

genetic analyses of ASD patients have been done worldwide and these studies indicate that many

synaptic genes including SH3 and multiple ankyrin repeat domains protein 2 (SHANK2) are

involved in ASD. Concomitantly with these studies, two Shank2 knock out mice line with deletion

of exon 6 and 7 (Shank2 KO e67) and with deletion of exon 7 (Shank2 KO e7) were characterized

as autistic behaviors. However, when I analyzed the transcriptome of the two lines, expression of

Gabra2 gene, encoding Ɓ-aminobutyric acid (GABA) A receptor subunit α2 (GABAAα2) and

inhibitory neurotransmission were reduced only in Shank2 KO e67. The excitatory

neurotransmission was normal, so the excitatory and inhibitory balance (E/I balance) was

impaired. Restoring this inhibitory neurotransmission could rescue spatial memory deficits of

Shank2 KO e67 mice, while it did not affect the spatial memory deficits of Shank2 KO e7 mice.

In addition to the work, I investigated if the endo-lysosomal pathway is involved in the

neurodevelopmental processes. Interestingly my colleague found that when the expression of

Snf7-3 protein, a component of endosomal sorting complexes required for transport III (ESCRTIII), was reduced in developing neuron culture, the dendrite outgrowth was exaggerated. To

examine this phenotype is involved with the symptoms of neurodevelopmental disorders, I

generated conventional and conditional KO mice of Snf7-3, and the mice displayed hyperactivity

which is the main symptom of ADHD. Furthermore, in the conditional KO mice, object location

memory was also impaired. In addition, since the E/I balance of neurotransmission is often

disturbed in the model mice of neurodevelopmental disorders, I assessed this possibility and found

that the frequency of spontaneous excitatory neurotransmission was elevated in the KO mice of

hippocampus.